Lebensmittelbiotechnologie
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Herstellung und Anwendung von Enzymen Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie Enzyme sind chemisch gesehen Eiweisse natürliche Katalysatoren benötigen keine erhöhten Temperaturen bzw. hohe Drücke wie chemische Katalysatoren wirken sehr spezifisch Enzyme - Geschichte Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie 800 v. Chr. Nutzung der „verändernden“ Eigenschaften von Enzymkomplexen Nutzung von Kälbermägen zur Käseherstellung 1833 Enzymkomplex des Malzes wird extrahiert 1874 Chymosin wird aus Kälbermägen isoliert 1897 zellfreier Hefeextrakt wandelt Glukose in Ethanol und Kohlendioxid um 1900 industrielle Herstellung von Amylase aus Aspergillus oryzae 1913 Trypsin aus Bauchspeicheldrüsen verbessert Waschmittel 1950 bakterielle Proteasen in Waschmitteln 1971 bakterielles Chymosin ersetzt Lab aus Kälbermägen 1982 Amylase aus GVMO in der Stärkeindustrie 1988 Lipasen in Waschmitteln Chymosin aus gentechnisch veränderten Hefen 1997 Chymosin aus GVMO wird in Deutschland zugelassen 1999 gezieltes „Protein engineering“ 2000 v. Chr. Enzyme - Einteilung Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie Industrie-Enzyme Analytische Enzyme Tonnen mg - g Reinignungsgrad angereichert rein-kristallin Nebenaktivitäten vorhanden nein (genau definiert) mikrobiell, meist extrazellulär mikrobiell, meist intracellulär teilweise teilweise gering mittel - hoch Maßstab Ursprung Mehrfacher Einsatz Herstellungskosten Enzyme – Einsatz biotechnologisch hergestellter Enzyme Fachhochschule Flensburg Enzym α-Amylasen Cellulasen Lipasen Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie Anwendung Backwaren, Getränke, Papier, Spülmittel Textilien, Waschmittel Backwaren, Wasch- und Spülmittel, Leder Pectinasen Getränke Proteasen Käse, Wasch- und Spülmittel, Backwaren, Getränke, Fleisch, Fisch Xylanase Backwaren, Getränke, Textilien Enzyme – Stärkeverzuckerung Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Stärkeverflüssigung - verschiedene Amylasen Stärkeverzuckerung - Glucoamylase, Pullanase Isomerierung - Glucose-Isomerase Lebensmittelbiotechnologie Stärke-Zucker-Gemisch mit verschiedenen Zuckereinheiten Glucosesirup (Back- und Süßwarenindustrie) Fructosesirup „High Fructose Corn Sirup“ Enzyme – Chymosin Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie Kälber-Lab Enzym aus dem Magen säugender Kälber - Gerinnung des Caseins der Milch - ca. 70 Millionen Kälbermägen wären notwendig, um 14 Mio. t Käse zu produzieren (56.000 kg reines Lab) Labersatzstoffe - Proteasengemische aus Schimmelpilzen (z.B Mucor miehei) - häufig unerwünschte Aromakomponenten, Bitterkeit Gentechnisch hergestelltes Lab - Chymosin-Gen aus Schleimhautzellen eines Kalbes in Mikroorganismen (z.B. E.coli) transferiert - Chymosin-Gen wird überexprimiert Ca. 50% der Weltproduktion werden mit gentechnisch hergestelltem Chymosin hergestellt. Enzyme – Chymosin Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie Enzymatische Milchgerinnung: Primärphase: - Abspaltung der Glycomakromoleküle vom Schutzkolloid κ-Casein - Verlust der Hydrathülle und des Schutzen der gegenseitigen Verbindungen der Caseinmizellen Sekundärphase: - Bildung von Ca2+-Salzbrücken Gerinnung, Koagulation - irreversilbe Gerinnung Ca Lab Ca2+ Ca Ca Ca Ca Enzyme – Backwaren Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie Getreidesorten mit viel Stärke haben zu wenig Eiweiß, demzufolge auch zu wenig eigene Enzyme, die für den Aufschluß (ein gutes Backergebnis) notwendig sind. Enzyme – Probleme bei der Herstellung Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie meist wässrige Lösungen Mikroorganismen oder andere Zellen in der Lösung Eiweiße oder Polysacharide, die die Aufarbeitung erschweren, befinden sich in Lösung Gefahr durch Unsterilitäten bei der Aufarbeitung niedrige Konzentrationen der Produkte große Anzahl weiterer Stoffe (besonders bei komplexen Nährmedien gebundene Produkte (z. B. intrazelluläre Enzyme) thermische Empfindlichkeit der Produkte geringe Stabilität Enzyme – Herstellung Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie Fermentation Phasentrennung Biomasse Kulturflüssigkeit Konditionierung Zellaufschluß Produktgewinnung Kulturkonzentrat Produktgewinnung Konditionierung Konditionierung extrazelluläres Enzym intrazelluläres Enzym Enzyme – Herstellungsschema Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie Enzyme – Grundoperationen in der Aufarbeitung Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Abtrennen der Zellen Lebensmittelbiotechnologie Zentrifugieren Filtrieren Zellaufschluß Physikalisch (Vermahlen, Ultraschall) Chemisch (Säurebehandlung) Biologisch (Enzyme) Produktanreicherung Verdampfung Extraktion Membranfiltration Gefriertrocknung Fällung Feinreinigung Chromatografie Elektrophorese Konzentrierung Trocknung Fällung Kristallisation Enzyme – Herstellung - Zusammenfassung Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie Die Aufarbeitung von Enzymlösungen hat folgende Besonderheiten: Verarbeitung großer Volumina aufgrund niedriger Konzentration der Produkte Notwendigkeit mehrerer Trenn- und Reinigungsschritte durch die Vielzahl der Inhaltsstoffe in der Nährmedien · ein erfolgreiches Downstreaming setzt meist eine Kombination von mehreren Aufarbeitungstechniken voraus · meist kostenintensiver als die Aufarbeitung synthetisch hergestellter Produkte
